Java 线程基础知识总结

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-06-20 04:59 11阅读 0赞

# 线程基础 #

很不严谨的说，线程是什么？线程就是为了让很多个东西并发执行，大大的提高程序执行的效率啊

三个非常重要的概念：

*  程序：一组写好了的静态代码块（就我们写的那些代码玩意）
 *  进程：正在进行着的程序，即静态的代码执行起来了
 *  线程：是进程的小单元，或者说多个线程构成一个进程（线程的出现是因为进程满足不了人们的需求，于是进程被细化了）

线程的转换（五个较为简单的转换）可以通过这个图了解一下：  
![在这里插入图片描述][20190530173728775.png]  
在Java中，

**线程有三类：**

1.  主线程：系统线程，如Java中的Java虚拟机（主线程是最先执行的）
2.  用户线程：Java中main函数执行的那些玩意
3.  守护线程（精灵）：比如Java中的GC（垃圾回收器，他是为主线程服务的，当系统启动后，GC就随之产生了；Java虚拟机断掉了，GC也就不干活了）

线程是操作系统层次的（又或者说是cpu层次的，进程怎么执行的，顺序是啥。。。这些都是靠cpu分配的）  
不过线程怎么去用，Java的JDK已经给我们写好了  
![在这里插入图片描述][20200726105237924.png]  
**实现线程的过程（有两个方法）：**

1.  自己描述一个类
2.  实现线程的两个前提条件（继承`Thread`是最方便的，但是Java是单继承的，很可能会和其他的继承冲突；所以还可以通过实现`Runnable`接口，不过它要额外的通过写一个`Thread`类来执行`start()`方法）：
    
     *  方法一：继承一个父类`Thread`
     *  方法二：实现一个接口`Runnable`
3.  我们都必须重写`run()`方法，  
    因为这个方法来源于cpu，是操作系统给JDK提供的接口，JDK将它包装成`run()`，其实我们执行的线程就是写在`run()`方法中的代码执行起来了
4.  new一个线程对象（我们是无法调用`run()`的，它只有cpu才可以调用，cpu分配时间碎片才能开始执行）  
    我们只能调用`start()`方法（这个方法继承自`Thread`），它会使这个线程除了cpu资源的其它资源都得到满足，让它进入就绪状态，在就绪队列中等待着cpu执行它

（补充：为什么要这么麻烦呢？为什么不直接使用`Thread`类或者`Runnable`接口，直接在里面写线程的代码，但是`run()`方法是不允许有参数的，我们一般要执行的线程都要传参数，所以只能通过继承和实现来解决参数传递的问题）

【**一个例子**】实现线程的两种方式

*  **继承一个父类 Thread**，可以看到调用线程时写法较为简单

public class Running extends Thread { 
        String name;
    
        public Running(String name){ 
            this.name = name;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for(int i = 1; i <= 10; i++){ 
                System.out.println(name + "跑到了" + i + "米");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            Running Lux = new Running("Lux");
            Running Ahri = new Running("Ahri");
            Running Annie = new Running("Annie");
    
    		//从Thread类中继承过来的方法
            Lux.start();
            Ahri.start();
            Annie.start();
        }
    }

*  **实现一个接口 Runnable**，可以看到调用线程时写法复杂一些

public class Running implements Runnable { 
        String name;
    
        public Running(String name){ 
            this.name = name;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for(int i = 1; i <= 10; i++){ 
                System.out.println(name + "跑到了" + i + "米");
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            Running Lux = new Running("Lux");
            Running Ahri = new Running("Ahri");
            Running Annie = new Running("Annie");
    
    		//Thread类中才有start()方法
            Thread thread1 = new Thread(Lux);
            thread1.start();
            Thread thread2 = new Thread(Ahri);
            thread2.start();
            Thread thread3 = new Thread(Annie);
            thread3.start();
        }
    }

**多次运行线程代码，发现线程无论执行顺序，还是开始执行时间都是随机的（实际上是操作系统通过算法调度和分配资源，JDK是不能影响它的）**

**我们只需要类中继承或实现线程，重写run()方法，最后调用start()方法就可以了**

**我们不要直接调用run()方法，这样就不是多线程了，只是按顺序执行的单线程！！！**

## 模拟一个火车站售票小例子 ##

*  使用控制台输入输出，仅仅是为了简单玩一下线程，例子很简陋
 *  **三个类**
    
     *  车票
     *  售票系统12306
     *  售票窗口
 *  **代码**：[github][]
 *  **效果展示：**

从广州北站售出:[ 北京11 --> 深圳11 : 150.0 ]
    从广州西站售出:[ 北京10 --> 深圳10 : 125.0 ]
    从广州南站售出:[ 北京12 --> 深圳12 : 175.0 ]
    从广州西站售出:[ 北京14 --> 深圳14 : 225.0 ]
    从广州南站售出:[ 北京15 --> 深圳15 : 125.0 ]
    ...
    ...
    对不起广州南站窗口车票已售完
    对不起广州西站窗口车票已售完
    对不起广州北站窗口车票已售完

## 多线程同时读取一个文件 ##

*  **题目**：有一个26字节的文件 test.txt，里面按顺序存储着26个小写英文字母，使用3个线程同时读取
 *  使用控制台输入输出，仅仅是为了简单玩一下线程与IO，例子很简陋
 *  分析：
    
     *  使用字节型输入流，使用skip()方法
     *  1号线程：读取1-10字节
     *  2号线程：读取11-20字节
     *  3号线程：读取21-26字节
 *  **代码**：[github][github 1]
 *  **效果展示：**

Thread-0读取：a
    Thread-2读取：u
    Thread-1读取：k
    Thread-2读取：v
    Thread-0读取：b
    Thread-2读取：w
    ...
    ...

# 生产消费者模型 #

## 生产消费者模型 ##

我创建**一个生产者**向仓库添加物品  
和**两个消费者**向仓库中拿走物品

在多线程并发进行中会出现这么一种问题：  
![在这里插入图片描述][20200726143406757.png]  
如果仓库只剩一个物品时，出现了这么一个顺序

1.  消费者1进行判断（还剩一个）
2.  消费者2进行判断（还剩一个）
3.  消费者1执行get方法
    
     *  get方法作用是：获取物品
4.  消费者2执行get方法（这时候就出现问题了，虽然判断时仓库还有一个可以拿；但是到执行get方法时，仓库是空的，那么问题出现了：**多线程并发抢夺资源**）

*  **生产者消费者模型**：
    
     *  模拟上述描述的问题，并且代码中不涉及其余线程操作，只会出现生产者消费者模型的问题
     *  三个类：Producer、Consumer、WareHouse
     *  分别代表：生产者、消费者、仓库
 *  **代码**：[github][github 2]
 *  不出所料，在执行的过程中出现问题了  
    ![在这里插入图片描述][20200726143000305.png]两个消费者，成功演示出了线程安全问题；两个消费者并发访问，可能产生抢夺资源的问题；所以多个线程并发执行的时候，有安全隐患

## synchronized ##

*  **生产者消费者模型 解决办法**：
    
     *  让仓库被线程访问的时候，仓库对象被锁定（即仓库对象只能被一个线程访问，其它的线程处于等待状态）
     *  使用一个特征修饰符即可`synchronized`，又称为线程安全锁，表示同步的意思，作用：一个时间点只有一个线程访问
     *  **给仓库提供的获取物品的方法（get）加上线程安全锁，可以避免多线程并发抢夺资源**

**synchronized** 有两种写法：

1.  将`synchronized`关键字，放在方法的结构上（特征修饰符），其实**它锁定的是synchronized修饰方法所在的对象，由调用该方法的线程锁定**

public synchronized void test(){ 代码}

1.  将`synchronized`关键字，放在方法（/构造方法/块）内部

public void test(){ 
    	很多代码
    	synchronized(对象){    //只有方法执行到这里的时候才被锁定
    						 //锁定哪个对象呢？可以由synchronized()的参数决定
    		某些代码
    	}
    	很多代码
    }

**第二种写法性能更加棒；而且更为灵活，给内部的`synchronized(){}`的参数传对象，不仅可以由调用方法的线程锁定，还可由其他线程对象来锁定**

## 线程对象改变引起的异常 ##

*  如果线程调用的方法中有`wait()`和`notify()`/`notifyAll()`方法，但是没有加`synchronized`线程安全锁时会出现一种异常：**java.lang.IllegalMonitorStateExceptionr**
 *  注意：wait和notify需要成对出现，或者wait和notifyAll成对出现，否则可能出现假死锁
    
     *  wait() 线程等待
     *  notify() 唤醒某个线程
     *  notifyAll() 唤醒所有线程
     *  wait() notify() notifyAll()都是Object的方法，但和`synchronized`关键字一样，也是哪个线程调用则对哪个线程起作用

**在生产者消费者模型代码基础上进行修改，仓库的获取物品与存放物品的方法不加线程安全锁，并且使用线程等待与线程唤醒方法**  
![在这里插入图片描述][20200726155522795.png]  
这就是张冠李戴的字面解释了，**当访问仓库的生产者线程等待，告知生产者的这一刹那，对象变成了另一个线程：该等待的没有等待，不该等待的等待了**

# join #

*  join()方法也是Thread类中的方法，挺有用的
 *  可以让两个并行的线程变成单线程

**线程创建好之后，我们不能控制线程执行的先后顺序，我们只能让线程进入就绪状态**

【**例子**】首先来回顾一下线程并发执行的情况，以线程ThreadOne与ThreadTwo为例：

ThreadOne one = new ThreadOne();
    ThreadTwo two = new ThreadTwo();
    one.start();
    two.start();

*  one执行，one结束，two执行，two结束
 *  one执行，two执行，one结束，two结束
 *  one执行，two执行，two结束，one结束
 *  …

【**例子**】如果有两个线程ThreadOne和ThreadTwo，我想让ThreadTwo加入到ThreadOne中，可以这么写：

ThreadOne

public class ThreadOne extends Thread { 
        public void run() { 
            System.out.println("thread-one start");
            ThreadTwo two = new ThreadTwo();
            two.start();
            try { 
                two.join();//线程2加入到线程1中
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("thread-one end");
        }
    }

ThreadTwo

public class ThreadTwo extends Thread{ 
        public void run() { 
            System.out.println("thread-two start");
            try { 
                Thread.sleep(5000);//睡眠5秒
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("thread-two end");
        }
    }

在main中，调用ThreadOne线程的start()方法：  
![在这里插入图片描述][2019053120170463.png]

*  这里用的是`join()`的无参方法，thread-one启动后，必须要等着thread-two执行完，才能往后面执行
 *  `join(millis)`还有一个有参重载方法

将ThreadOne类中的 `two.join()` 改为 `two.join(4000)`

thread-one启动后，不是必须等待着thread-two执行完，而是等待4000毫秒如果thread-two还没执行完，thread-one就继续往后执行  
![在这里插入图片描述][20190531202204935.png]

## join源码结合例子分析 ##

【join源码】

*  无参的 `join()` 方法：

public final void join() throws InterruptedException { 
        join(0);//还是会调用有参的join方法
    }

*  有参的 `join()` 方法：

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException { 
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;
    
        if (millis < 0) { 
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
    
        if (millis == 0) {  //这就是调用无参join时的执行代码
            while (isAlive()) { 
                wait(0);
            }
        } else { 
            while (isAlive()) { 
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) { 
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

*  ThreadOne类中调用的无参 `two.join()` 时
    
     *  只要 ThreaTwo 活着，那么 ThreadOne 就一直是等待状态

while (two.isAlive()) { 
        two.wait(0);
    }

*  ThreadOne类中调用的有参且参数大于0 `two.join(4000)` 时
    
     *  ThreaTwo 活着的期间，ThreadOne 等待millis毫秒后打破循环，即不再等待了

while (two.isAlive()) { 
        long delay = millis - now;
        if (delay <= 0) { 
            break;
        }
        two.wait(delay);
        now = System.currentTimeMillis() - base;
    }

## join遇上线程安全锁 ##

*  感受一下 synchronized 的强大吧
    
     *  三个线程类：ThreadOne、ThreadTwo、ThreadThree
     *  ThreadOne 中调用 ThreadTwo，并 `two.join(2000);`，不过 ThreadTwo 需要执行5秒
     *  ThreadTwo 中调用 ThreadThree，并将自身通过参数传给 ThreadThree
     *  ThreadThree 通过 synchronized 将 ThreadTwo 锁起来10秒
 *  **代码**：[github][github 3]
 *  **执行效果**：  
    ![在这里插入图片描述][20190531205802584.png]

1.  one启动
2.  two启动
3.  three启动
4.  two就join进one中了（two要执行5000毫秒，但是one只给了two2000毫秒）
5.  2000毫秒之后，one想要把two从自己的线程中剔除掉；但是发现，two已经不在自己的手中，two已经被three锁定（要被锁定10000毫秒）
6.  one只能等待three将two释放后才能剔除掉two

所以，锁是非常强大滴

# 死锁 #

*  synchronized非常厉害，一旦线程被锁定，不释放的情况，其它的线程都需要等待
 *  如果锁没用好，有可能产生死锁的问题（互相都想要对方的资源，却都得不到满足）

这么说吧，  
Ahri手里有a资源，然后需要b资源  
Lux手里有b资源，然后需要a资源  
而且，a资源被Ahri独占了，其它进程拿不到；b资源被Lux独占了，其它进程都拿不到  
那么：  
Ahri得不到Lux的b资源  
Lux得不到Ahri的a资源  
就会这样：  
Ahri和Lux一直等着对方释放资源

这就是死锁

## 哲学家进餐问题 ##

**哲学家进餐问题** 是一个著名的死锁问题：  
![在这里插入图片描述][20190531212849951.png]  
四个人在餐桌上吃饭，但是只有四只筷子，  
四个人同时拿筷子，  
而且要求，每一个人先拿左手边的筷子，然后拿右手边的筷子

所以嘛，有可能他们四个人拿筷子的速度恰好一样，都拿了左手边的筷子，于是僵持住了

*  **代码**：[github][github 4]

避免死锁的方法：

*  礼让----产生时间差
 *  不要产生共用的问题

# 有趣的Timer类 #

*  计时器/定时器是JDK已经写好了的线程类
 *  `java.util`包，`Timer`类

【**小例子**】用`Timer`类模拟一个短信轰炸的效果（每隔一段时间发送信息）

Timer有这么一个方法`schedule()`，有四个重载方法  
![在这里插入图片描述][20190601182356107.png]  
对上面出现的参数的解释

1.  `TimerTask task`表示一个任务，以字符串形式表示  
    `TimerTask`是一个抽象类，new不了的，不过可以使用匿名内部类对象
2.  `Date time`、`Date firstTime`表示起始时间（到了起始时间，任务开始执行）
3.  `long delay`表示延迟时间（及延迟给的时间后，任务开始执行）
4.  `long period`周期，表示多长时间后再干一次，是一个循环

**短信轰炸**

//导包
    //...
    public class TestTimer { 
    
    	private int count = 1;//记录轰炸次数
        ArrayList<String> userBox = new ArrayList<>();//存储众多个人信息
        
        { 
            userBox.add("a"); userBox.add("b"); userBox.add("c"); userBox.add("d");
        }
    
    	启动一个小线程，记录时间，可以每隔一段时间去做一件事情
        public void test() throws ParseException { 
            System.out.println("开始啦");
            Timer timer = new Timer();
    
            SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            Date firstTime = sdf.parse("2020-07-27 16:30:00");
    
            timer.schedule(new TimerTask() { 
                public void run() { 
                	System.out.println("第" + count++ + "次执行");
                    for(int i = 0; i < userBox.size(); i++){ 
                        System.out.println("给" + userBox.get(i) + "发送了一条消息：陌生人祝你幸福");
                    }
                    System.out.println("做了点坏事儿 真开心~~~");
                }
            },firstTime,3000);
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            TestTimer demo = new TestTimer();
            try{ 
                demo.test();
            }catch (ParseException e){ 
                e.getErrorOffset();
            }
        }
        
    }

![在这里插入图片描述][20200727163542167.png]

[20190530173728775.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190530173728775.png
[20200726105237924.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200726105237924.png
[github]: https://github.com/Zhangguohao666/Java/tree/master/%E3%80%9000%E3%80%91demos_01/10%EF%BC%9A%E7%81%AB%E8%BD%A6%E7%AB%99%E5%94%AE%E7%A5%A8
[github 1]: https://github.com/Zhangguohao666/Java/tree/master/%E3%80%9000%E3%80%91demos_01/10%EF%BC%9A%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E8%AF%BB%E5%8F%96%E5%90%8C%E4%B8%80%E6%96%87%E4%BB%B6
[20200726143406757.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200726143406757.png
[github 2]: https://github.com/Zhangguohao666/Java/tree/01c2f270134aedc623d5eb4fa0e240abfd3a3e21/%E3%80%9000%E3%80%91demos_01/10%EF%BC%9A%E7%94%9F%E4%BA%A7%E8%80%85%E6%B6%88%E8%B4%B9%E8%80%85%E6%A8%A1%E5%9E%8B
[20200726143000305.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200726143000305.png
[20200726155522795.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200726155522795.png
[2019053120170463.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2019053120170463.png
[20190531202204935.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190531202204935.png
[github 3]: https://github.com/Zhangguohao666/Java/tree/master/%E3%80%9000%E3%80%91demos_01/10%EF%BC%9Ajoin%E4%B8%8Esynchronized
[20190531205802584.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190531205802584.png
[20190531212849951.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190531212849951.png
[github 4]: https://github.com/Zhangguohao666/Java/tree/master/%E3%80%9000%E3%80%91demos_01/10%EF%BC%9A%E5%93%B2%E5%AD%A6%E5%AE%B6%E8%BF%9B%E9%A4%90%E9%97%AE%E9%A2%98
[20190601182356107.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20190601182356107.png
[20200727163542167.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200727163542167.png